Водоподготовка и водно-химические режимы ТЭС и АЭС

К особенностям системы охлаждения на АЭС можно отнести то, что на современных АЭС применяют, как правило, три автономные системы технического водоснабжения: систему охлаждения конденсаторов паровых турбин, систему охлаждения неответственных потребителей турбинного отделения, в которую могут входить и другие потребители, и систему охлаждения ответственных потребителей реакторного отделения и других, связанных с обеспечением безопасности АЭС.

Влияние температуры воды на работу оборудования ТЭС и АЭС весьма значительно. Так, повышение температуры воды, подавае-

мой на конденсаторы, на 10 С приводит к снижению вакуума на 0,5 %, что равноценно снижению мощности турбины на 0,4 % и перерасходу пара на 0,5 %.

Водозаборные и очистные сооружения, насосные установки, водоводы, искусственные охладители при таких значительных расходах воды представляют собой весьма крупные сооружения. В связи с этим, место для строительства ТЭС и АЭС выбирают исходя из условий снабжения ее водой, соглашаясь с удалением электростанции от потребителей энергии и источников топлива.

В табл. 3.1 и 3.2 представлены сведения, необходимые для расчета потребности ТЭС или АЭС в технической воде [1]. Табл. 3.1 содержит данные по расходам охлаждающей воды на конденсацию отработавшего в турбинах пара.

Таблица 3.1

Расходы охлаждающей воды на конденсацию отработавшего в турбине пара

70

Втабл. 3.2 приведены расходы воды на различные нужды ТЭС

иАЭС по отношению к ее расходу на конденсацию отработавшего пара в процентах.

Таблица 3.2

Расходы охлаждающей воды на производственные и технические нужды станции

На основании полученной общей потребности электростанции в технической воде производится выбор конкретной системы технического водоснабжения.

В случае использования прямоточной системы охлаждения необходимо привести четкое обоснование, подтверждающее возможность использования на данной ТЭС или АЭС такой системы (см. раздел 3.2 «Характеристика систем охлаждения»).

При выборе оборотной системы с водоемом-охладителем необходимо произвести расчет площади водохранилища и дать его описание (см. раздел 3.2 «Оборотная система с водохранилищем»). Ис-

71

пользование в качестве охладителя градирни потребует расчета и выбора необходимого количества типовых градирен (см. раздел 3.2 «Оборотная система с градирнями»).

3.2. Характеристика систем охлаждения

При проектировании ТЭС и АЭС системы технического водоснабжения выбираются в зависимости от характеристики источника водоснабжения, типа электростанции и общего расхода охлаждающей воды.

Возможны два основных варианта водоснабжения электростанции: прямоточная и оборотная с прудами-охладителями, градирнями или брызгальными устройствами. Встречаются также сочетания различных систем.

Прямоточная система. Для охлаждения в различных технологических процессах на ТЭС и АЭС наиболее эффективным решением являются прямоточные системы, использующие в качестве источника водоснабжения крупные реки, озера, моря (рис. 3.1). Вода забирается из природного источника и после использования на электростанции сбрасывается в тот же источник.

Такая система позволяет получить более глубокий вакуум в турбине по сравнению с другими системами охлаждения. В прямоточных системах охлаждающая вода проходит через конденсатор однократно. Учитывая, что нагрев воды в конденсаторе составляет порядка 6–12 °С и количество воды огромно, необходимо предусматривать меры по сведению влияния этой теплоты на экологическую обстановку в водоеме к минимуму. Использование реки в качестве источника водоснабжения системы охлаждения по санитарным нормам разрешено в том случае, если дебит реки в створе забора воды в три-четыре раза и более превышает потребность электрической станции в технической воде. В этом случае выполняется требование, согласно которому тепловые сбросы не должны вызывать повышения собственной температуры водоема более чем на 5 °С летом и на 3 °С зимой.

Для забора воды у реки устанавливают береговую насосную с водоприемником, который включает установку механической очистки от крупных загрязнений и водорослей.

72

Рис. 3.1. Схема прямоточного охлаждения конденсаторов:

1 – насос; 2 – насосная станция; 3 – камера переключений; 4 – холостой сброс; 5 – задвижки холостого сброса; 6 – обратный затвор; 7 – задвижки на напорном патрубке насоса; 8, 11 – задвижка на перемычке; 9 – магистральные трубопроводы; 10, 12 – задвижки на подводящих и сливных трубопроводах конденсаторов;

13 – конденсатор; 14 – отводящий канал

В оборотных системах вода охлаждается в естественных или специальных созданных наливных водоемах-охладителях, градирнях и брызгальных бассейнах.

Система водоснабжения с водоемом-охладителем наиболее рас-

пространенная на действующих конденсационных электростанциях

(рис. 3.2).

Водоем сооружают, используя естественные или искусственные озера, небольшие реки, которые перегораживают плотинами для затопления необходимой территории.

73

Рис. 3.2. Схема оборотного водоснабжения с прудом-охладителем: 1 – конденсатор турбины; 2 – приемные колодцы; 3 – сливные колодцы;

4 – переключательный колодец; 5 – сливной самотечный канал; 6 – приемные самотечные каналы; 7 – водозаборное устройство; 8 – перепускной канал; 9 – циркуляционные насосы; 10 – струенаправляющая дамба

Главный корпус электростанции располагают в непосредственной близости от берега водохранилища ближе к плотине. Циркуляционные насосы, как правило, располагают в специальном отдельном здании береговой насосной станции. Водозабор осуществляется в наиболее глубоком месте водохранилища (обычно около плотины) и оборудуется специальными защитными сетками.

Вода после конденсаторов турбины сливается по сбросным каналам в водохранилище на таком расстоянии от места водозабора, чтобы, пройдя путь до него, она успела охладиться.

74

Охлаждение воды происходит за счет испарения ее с поверхности и конвективного теплообмена с воздухом (если температура воздуха ниже температуры воды).

Требуемая для охлаждения воды площадь водохранилища зависит от мощности электростанции, ее КПД, конфигурации и глубины водохранилища, климата района. Наливным водохранилищам придают такую форму, которая позволила бы эффективно использовать всю их акваторию.

Не вся поверхность водохранилища используется одинаково эффективно для охлаждения воды. Кроме площади, занимаемой транзитным потоком, существуют застойные, водоворотные зоны. Активной называется площадь водохранилища (Fa), используемая для охлаждения воды. В зависимости от его конфигурации она может оставлять от 50 до 90 % общей площади Fобщ. Глубина водоема не

менее 3,5–4 м.

Для более полного использования поверхности водоема сооружают струенаправляющие дамбы. Для оценки необходимой активной площади водоема можно использовать зависимость

Fa KFобщ, км2.

Активная площадь – площадь поверхности водоема, в которой имеются только транзитные (движущиеся) потоки. Форма пруда учитывается коэффициентом использования водоема K.

При правильной, вытянутой форме K = 0,8–0,9; при неправиль-

ной K = 0,6–0,7; при округленной K = 0,4–0,5.

Рациональной считается вытянутая форма, при которой нагретая в конденсаторе турбины вода сбрасывается в водохранилище на значительном расстоянии от места забора (10 км и более)

Общую площадь водоема можно оценивать по зависимости

Fобщ fудNэ,

где fуд принимают в пределах (8–9 м2) на 1 кВт установленной мощности ТЭС и (9–10 м2) – для АЭС.

К преимуществам использования водоемов-охладителей перед градирнями можно отнести: надежность технического водоснабжения, более низкие и устойчивые температуры охлаждающей воды,

75

значительно меньшие потери воды на испарение в охладителе, большую простоту эксплуатации в системы (особенно зимой), меньшую высоту подъема охлаждающей воды (4–8 м), значительно более низкий расход электроэнергии на перекачку, возможность комплексного использования водоема для рыбоведения, орошения сельскохозяйственных угодий.

Брызгальные бассейны (рис. 3.3) представляют собой искусственные открытые бассейны, над которыми расположена система трубопроводов, по которой подается вода на охлаждение. На выходе из трубопроводов установлены многочисленные сопла-распылители, с помощью которых осуществляется увеличение поверхности контакта охлаждаемой воды с охлаждающим воздухом.

Рис. 3.3. Брызгальный бассейн

76

Это способствует повышению обоих эффектов охлаждения – испарительного и конвективного. Глубина бассейна регламентирована – не менее 1,5 м, что позволяет поддерживать его температуру на допустимом уровне во все времена года. Для уменьшения уноса капель ветром расстояние от крайних сопел до бортов бассейна должно быть более 7 м. Повышенный унос капель требует увеличенной подпитки бассейна (дополнительные затраты). Однако наличие ветра повышает эффективность охлаждения. Брызгальные бассейны могут явиться причиной туманов, следствием которых будет обледенение близлежащих зданий и сооружений в зимнее время. Преимуществом брызгальных бассейнов, по сравнению с прудамиохладителями, является небольшая территория, которую они занимают (в 30–40 раз меньше, чем пруды-охладители). Охлаждение нагретой воды в брызгальных бассейнах происходит за счет испарения и конвективного теплообмена с воздухом. При их использовании на энергетических блоках большой мощности, как правило, не удается поддерживать столь же высокий вакуум в конденсаторах турбин. Потому брызгальные бассейны на АЭС нашли широкое применение как охладители в автономных системах охлаждения ответственных потребителей.

Система оборотного охлаждения с градирнями. На вновь стро-

ящихся ТЭС и АЭС наибольшее распространение (до 70 %) получили системы оборотного охлаждения с градирнями, в которых один и тот же объем воды используется многократно и требуется лишь небольшой добавок воды для восполнения потерь в охлаждающих устройствах (рис. 3.4). В градирнях температура оборотной воды снижается за счет испарения части подогретой в конденсаторе воды и конвективного теплообмена при контакте с воздухом, затем вода вновь подается в теплообменники – конденсаторы. Часть оборотной (охлаждающей) воды в градирнях теряется за счет испаре-

ния (Рисп = 1–1,5 %), часть – капельного уноса (Рун = 0,1 % – в градирнях с влагоуловителем и Рун = 0,5 % – без влагоуловителя). Ис-

паряемая влага является чистой водой, поэтому за счет испарения солесодержание воды в оборотной системе повышается. Регулирование солесодержания осуществляется методом водообмена с помощью продувки системы Рпрод.

77

Рис. 3.4. Схема оборотного охлаждения конденсатора с градирней 1 – градирня; 2 – циркуляционный насос; 3 – конденсатор; Рисп, Рун – потери воды

в градирне на испарение и унос; Рпрод – продувка оборотной воды; Рдоб – добавка в систему свежей воды

Потери с продувкой обусловлены необходимостью поддержания заданной концентрации соли в охлаждающей воде на уровне предотвращающей накипеобразование в трубках конденсатора. Как правило, потери с продувкой не превышают 3 %.

C учетом всех указанных потерь величина подпитки системы охлаждения составит

Pпот Pисп Pун Pпр,

Градирни занимают значительно меньшие площади, чем другие охладительные устройства оборотного снабжения технической воды. Однако при этом они должны обеспечивать эффективность охлаждения, связанную с этим тепловую экономичность электростанции. На ТЭС и АЭС применяют башенные градирни, в которых система раздачи охлаждаемой воды расположена внутри башни. Градирня состоит из следующих основных частей: вытяжной башни, водораспределительной системы, оросителя, водосборного бассейна и влагоулавливающего устройства. От высоты башни зависит

78

эффективность вентиляции внутреннего объема градирни с естественной тягой (без использования вентиляторов для организации принудительной вентиляции градирни).

Вода под давлением 15–20 кПа подается к оросительному устройству, расположенному на высоте 10–20 м по системам трубопроводов, расположенных по радиальным или прямоугольным схемам, предусматривающим возможность отключения половины градирни или отдельных участков оросителя для проведения ремонтных работ. Подвод воды в систему водораспределения осуществляется через железобетонный стояк в центре градирни, в градирнях большой производительности – через несколько стояков, расположенных в периферийных зонах.

Оросительное устройство является основным рабочим элементом градирни. Вода после конденсаторов турбины подается на оросительное устройство, в котором разделяется на капли, струи или пленки и стекает вниз навстречу воздуху, поступающему через боковые отверстия внизу вытяжной башни. В результате взаимодействия с воздухом вода охлаждается за счет конвективного теплообмена и испарения.

Нагретый и насыщенный водяными парами воздух отводится вверх через вытяжную башню. Уровень воды в подводящем канале насосной станции практически постоянен, геометрический напор насосов составляет 12–18 м.

Глубина водосборного бассейна составляет 2 м.

При выборе числа башенных градирен на территории ТЭС и АЭС основной характеристикой является плотность орошения, которая характеризует отношение расхода циркулирующей воды Gц к пло-

щади оросителя Fор:

q Gц ,

Fор

где Gц – определяется расчетом по табл. 3.2 в м3/ч;

q – плотность орошения для пленочных градирен в зависимости от конструктивных особенностей равна q = 6–10 м3/(м2/ч), для многосекционных – до 20 м3/(м2/ч).

79